專利名稱：自適應(yīng)控制和診斷的車輛氧化催化器效率模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在車輛上使用的氧化催化器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微粒過濾器能捕獲且保持其他在車輛的燃料燃燒過程中產(chǎn)生的煙灰、灰燼、金屬和懸浮物質(zhì)的微觀微粒。但是，隨著時(shí)間推移，所述微粒物質(zhì)在過濾器介質(zhì)中累積，這逐漸增加了遍及過濾器的壓差。為了延長過濾器的使用壽命并優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的功能性，可用熱量使一些微粒過濾器再生，可通過在過濾器上游經(jīng)由向排氣流中注入燃料而將溫度暫時(shí)提升至450攝氏度或更高。將該熱量的峰值用于與合適的催化劑相結(jié)合，諸如鈀或鉬，其中所述催化劑經(jīng)由簡單的放熱氧化過程將累積和懸浮的物質(zhì)分解成相對惰性的副產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開的一種車輛包括具有排氣口的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、與發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)由排氣口流體連通的氧化催化器、微粒過濾器和主機(jī)。氧化催化器接收由排氣口而來的排氣流。微粒過濾器與氧化催化器的出口側(cè)流體連通，且可使用來自氧化催化器的熱量而選擇性地再生。主機(jī)計(jì)算微粒過濾器下游的排氣流內(nèi)的實(shí)際碳?xì)浠衔锼揭宰鳛檠趸呋鞯膶?shí)際能量輸入和輸出值的函數(shù)，以及隨后使用實(shí)際碳?xì)浠衔锼絹韺?shí)施控制措施?？墒褂萌剂献⑷朐O(shè)備選擇性地將燃料注入氧化催化器內(nèi)，其中所述控制措施包括對所述燃料注入設(shè)備的運(yùn)行啟用反饋控制。主機(jī)可使用溫度模型確定比熱的值，以及使用由多個(gè)溫度傳感器傳來的溫度信號來確定車輛內(nèi)不同位置上的排氣的溫度。主機(jī)可將該實(shí)際轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)校準(zhǔn)的閾值進(jìn)行比較，且可產(chǎn)生診斷代碼，作為控制措施的至少一部分，其中該診斷代碼表示實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率是否超過了所述閾值。還提供了一種在上述車輛上使用的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括氧化催化器和微粒過濾器。 氧化催化器與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口流體連通，且適于經(jīng)由排氣口接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流。微粒過濾器與氧化催化器的出口側(cè)流體連通，且可使用來自氧化催化器的熱量而再生。主機(jī)計(jì)算微粒過濾器下游的排氣流內(nèi)的實(shí)際碳?xì)浠衔锼揭宰鳛檠趸呋鞯膶?shí)際能量輸入和輸出值的函數(shù)，以隨后使用所述實(shí)際碳?xì)浠衔锼絹韺?shí)施控制措施，諸如將該實(shí)際碳?xì)浠衔锼脚c閾值進(jìn)行比較，并產(chǎn)生診斷代碼和/或執(zhí)行對氧化過程的閉環(huán)或開環(huán)控制。還提供了一種在上述車輛上使用的方法。該方法包括使用主機(jī)計(jì)算微粒過濾器下游的排氣流內(nèi)的實(shí)際碳?xì)浠衔锼?，這部分地通過求解氧化催化器的實(shí)際能量輸入和輸出值的函數(shù)而達(dá)成。額外地，該方法包括使用實(shí)際碳?xì)浠衔锼浇?jīng)由主機(jī)而在車輛上實(shí)施控制措施。在下文結(jié)合附圖進(jìn)行的對實(shí)施本發(fā)明的較佳模式做出的詳盡描述中能容易地理解上述的本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)以及其他的特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是具有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和氧化催化器系統(tǒng)的車輛的示意圖；且圖2是描述使用圖1中示出的氧化催化器系統(tǒng)的方法的流程圖。具體實(shí)施方法參見附圖，其中這幾幅附圖中相同的附圖標(biāo)記對應(yīng)著相同或類似的構(gòu)件，圖1中示意性地示出了車輛10。車輛10包括主機(jī)40和診斷算法100，該算法100由主機(jī)40選擇性地執(zhí)行，以計(jì)算車輛10載有的氧化控制(OC)系統(tǒng)13的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率。主機(jī)40因此可以用來計(jì)算、評估和控制由車輛10最終排入周圍大氣中的實(shí)際碳?xì)浠衔锼?，這可通過使用參考附圖2更詳盡地說明的溫度模型50而部分地完成。車輛10包括諸如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)12、OC系統(tǒng) 13和傳動(dòng)裝置14。發(fā)動(dòng)機(jī)12將由燃料箱18中取出的燃料16燃燒。在一個(gè)可能的實(shí)施例中，該燃料16是柴油，且氧化催化器系統(tǒng)13是柴油氧化催化器(DOC :diesel oxidation catalyst)系統(tǒng)，但也可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)12的設(shè)計(jì)使用其他類型的燃料。油門(throttle) 20按照需要選擇性地允許使預(yù)定量的燃料16和空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī) 12。燃料16的燃燒產(chǎn)生排氣流22，該排氣流最終從車輛10排放入周圍大氣中。由燃料16 的燃燒釋放的能量在傳動(dòng)裝置14的輸入部件M上產(chǎn)生扭矩。該傳動(dòng)裝置14隨后將由發(fā)動(dòng)機(jī)12傳來的扭矩傳輸至輸出部件26，以經(jīng)由一組輪子觀推進(jìn)車輛10，出于簡明的目的在圖1中僅示出了一個(gè)所述的輪子。OC系統(tǒng)13和發(fā)動(dòng)機(jī)12的排放口 17流體連通，使得該OC系統(tǒng)對在以氣態(tài)或蒸汽流體狀態(tài)從發(fā)動(dòng)機(jī)12的排氣口 17經(jīng)過車輛排氣系統(tǒng)時(shí)呈氣體排氣流22形式的流體進(jìn)行接收和調(diào)節(jié)。OC系統(tǒng)13包括氧化催化器30、可選的選擇性催化還原(SCR selective catalytic reduction)設(shè)備32、和微粒過濾器；34?？蓪⑽⒘＿^濾器；34配置為陶瓷泡沫 (ceramic foam)、金屬網(wǎng)、粒狀氧化鋁、或任何其他溫度和用途合適的材料。以上使用的術(shù)語“調(diào)節(jié)”指的是OC系統(tǒng)13內(nèi)多個(gè)位置上對排氣流22的溫度的控制和/或調(diào)整。為了達(dá)成這個(gè)目的，將微粒過濾器34連接至氧化催化器30或?qū)⑵湔w地和該氧化催化器30 —起制成。燃料注入設(shè)備36與主機(jī)40經(jīng)由控制信號15電子連通，且與燃料箱18流體連通。燃料注入設(shè)備36選擇性地將燃料16注入氧化催化器30，這由主機(jī) 40確定。將注入氧化催化器30的燃料16以受控的方式在其中燃燒，以產(chǎn)生足以使微粒過濾器34再生的熱量。S卩，氧化催化器30在存在排氣流22的受控溫度的情況下起作用，以氧化或燃燒任何被引入排氣流的碳?xì)浠衔铩＿@在微粒過濾器34內(nèi)提供了足夠的溫度水平，以氧化由該氧化催化器30下游的過濾器捕獲的微粒狀物質(zhì)。因此將該微粒過濾器34保持為相對沒有可能會(huì)導(dǎo)致阻塞的微粒狀物質(zhì)。仍參見圖1，在一些實(shí)施例中，可將可選的選擇性催化還原(SCR)設(shè)備32設(shè)置在氧化催化器30和微粒過濾器34之間。SCR設(shè)備32是使用活性催化劑將氮氧化物(NOx)氣體轉(zhuǎn)化為水和氮?dú)庾鳛楦碑a(chǎn)品的選擇性催化還原設(shè)備或單元?？蓪CR設(shè)備32配置為陶瓷磚或陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)(ceramic honeycomb structure)、板狀結(jié)構(gòu)或任何其他合適的設(shè)計(jì)。車輛10包括主機(jī)40，其監(jiān)測OC系統(tǒng)13正在進(jìn)行的運(yùn)行，以確保高效的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)換。主機(jī)40計(jì)算OC系統(tǒng)13的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率，并使用該結(jié)果來計(jì)算來自O(shè)C系統(tǒng)的實(shí)際碳?xì)浠衔锱欧拧Ｖ鳈C(jī)40可隨后將該結(jié)果和校準(zhǔn)過的調(diào)整閾值或其他閾值進(jìn)行比較，并執(zhí)行控制措施以反映所述結(jié)果。可將主機(jī)40配置成用作車輛控制器的數(shù)字計(jì)算機(jī)，和/或比例-積分-微分(PID) 控制器設(shè)備，所述設(shè)備具有微處理器或中央處理單元(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、電子可擦式可編程只讀存儲器(EEPROM)、高速時(shí)鐘、模-數(shù)(A/D)和/或數(shù)-模(D/A)電路、和任何所需的輸入/輸出電路和相關(guān)的設(shè)備、以及任何所需的信號調(diào)節(jié)和/或信號緩沖電路。算法100和任何所需的參考標(biāo)準(zhǔn)(reference calibration)可被主機(jī)40存儲或方便地訪問，以提供下文中參照圖2所描述的功能。主機(jī)40接收由多個(gè)溫度傳感器42傳來的溫度信號11，所述傳感器被定位為在OC 系統(tǒng)13內(nèi)的不同位置處測量排氣溫度，這些位置包括直接在氧化催化器30的下游和直接在微粒過濾器34的上游。在一個(gè)實(shí)施例中，將溫度傳感器42定位在氧化催化器30的入口側(cè)或發(fā)動(dòng)機(jī)12附近，且適于測量或探測進(jìn)入氧化催化器30的進(jìn)氣溫度。額外的溫度傳感器42探測來自氧化催化器30的相應(yīng)出口溫度，到微粒過濾器34的進(jìn)氣溫度和來自微粒過濾器34的出口溫度。將來自溫度傳感器42的每一所述溫度信號11傳送或轉(zhuǎn)送到主機(jī)40。 主機(jī)40還和發(fā)動(dòng)機(jī)12通信，以接收表明發(fā)動(dòng)機(jī)12的工作點(diǎn)的反饋信號44，諸如油門位置、 發(fā)送機(jī)速度、加速度器踏板位置、給油量(fueling quantity)、請求的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等。如將參照圖2在下文中立刻進(jìn)行的描述一樣，可由主機(jī)40執(zhí)行算法100，以計(jì)算上述的OC系統(tǒng)13的轉(zhuǎn)換效率。主機(jī)40使用由主機(jī)40存儲或可存取的溫度模型50以及燃料注入設(shè)備36處的碳?xì)浠衔镒⑷胨俾蕘硖峁┛偟哪芰枯斎?，即，熱能和化學(xué)能能量輸入。通過測量實(shí)際能量輸出，例如通過測量離開DOC的熱量，并結(jié)合由溫度模型50提供的信息，主機(jī)40計(jì)算經(jīng)轉(zhuǎn)換的燃料能量，且由該結(jié)果計(jì)算排氣流22中離開車輛10的未轉(zhuǎn)換的燃料量。主機(jī)40隨后可將實(shí)際的碳?xì)浠衔镏岛徒?jīng)校準(zhǔn)的閾值(例如調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)限)進(jìn)行比較，隨后可執(zhí)行適合該結(jié)果的控制措施。參見圖2，算法100由步驟102和步驟104同時(shí)開始，其中在步驟102，主機(jī)40計(jì)算質(zhì)量流量(mass flow rate)，該質(zhì)量流率可通過包括排氣流22的蒸汽的已知密度(P)、 其速度(V)、和流動(dòng)的橫截面積(A)相乘來計(jì)算，或是通過將該密度(P )和體積流量(Q)相乘來計(jì)算。在步驟104，溫度傳感器42測量氧化催化器30的出口溫度，并將該值作為溫度信號11中的一個(gè)通訊至主機(jī)40。主機(jī)40可由溫度模型50獲取排氣比熱值，并將該值暫時(shí)記錄在存儲器中。在步驟104，將燃料16的流量通訊至主機(jī)40，例如作為反饋信號44的一部分。例如通過訪問溫度模型50或查詢表確定該燃料16的已知能量含量。一旦在步驟102和步驟104確定了所有需要的值，則算法100進(jìn)行到步驟106和108。在步驟106，主機(jī)40使用在步驟102確定的值來計(jì)算從氧化催化器30輸出的能量率(energy rate)。將該值對時(shí)間進(jìn)行積分，且將該值存儲在存儲器中。算法100隨后進(jìn)行到步驟110。在步驟108，主機(jī)40使用在步驟104上確定的值來計(jì)算輸入氧化催化器30的能量率。如以上的步驟106所述，將該值對于時(shí)間進(jìn)行積分，且將該值存儲在存儲器中。算法 100隨后進(jìn)行到步驟110。在步驟110，主機(jī)40使用來自步驟106和108的值來計(jì)算氧化催化器30的總體轉(zhuǎn)換效率。隨后將計(jì)算出的效率存儲在存儲器中，用于步驟112，算法100隨后進(jìn)行到步驟 112。在步驟112，主機(jī)40使用在步驟110確定的實(shí)際效率來計(jì)算排氣流22中碳?xì)浠衔锏膶?shí)際水平。即，主機(jī)40執(zhí)行步驟102-110以確定實(shí)際效率值，這可用來計(jì)算未轉(zhuǎn)換的能量。獲知氧化催化器30的輸入側(cè)的能量含量后，能便利地計(jì)算出包含在排氣流22中的碳?xì)浠衔锏馁|(zhì)量輸出。算法100隨后進(jìn)行到步驟114。在步驟114，由主機(jī)響應(yīng)于在步驟102-112中計(jì)算出的任何值中來采取恰當(dāng)?shù)目刂拼胧?。舉例來說，可將在步驟112計(jì)算出的碳?xì)浠衔锏膶?shí)際水平和經(jīng)校準(zhǔn)的設(shè)計(jì)閾值進(jìn)行比較。當(dāng)該碳?xì)浠衔锼奖人鲩撝迪鄬^高時(shí)，采取修正措施。在一個(gè)實(shí)施例中，該控制措施可為經(jīng)由由主機(jī)40通訊至圖1中示出的燃料注入設(shè)備36的控制信號15來開啟對進(jìn)入氧化催化器30的碳?xì)浠衔镒⑷肼蔬M(jìn)行反饋控制，以及由此對在其中的燃料的隨后燃燒所產(chǎn)生的溫度進(jìn)行反饋控制。其他的控制措施可包括記錄 “通過/失敗”診斷碼、指示器燈(未示出)的激活、或消息的產(chǎn)生、或任何其他措施，它們能傳達(dá)對氧化催化器30更換或修復(fù)需求和/或?qū)C系統(tǒng)13進(jìn)行維護(hù)和/或控制改變的需求。相應(yīng)地，主機(jī)40使用輸入至氧化催化器30的熱能和化學(xué)能量率且通過將諸如使用溫度模型50計(jì)算出的預(yù)期排放熱能的增加與存在的熱能含量進(jìn)行比較，從而計(jì)算OC系統(tǒng)13的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率。實(shí)際能量輸入和實(shí)際能量輸出的比值決定了效率，且可將該值用來觸發(fā)前文所述的一個(gè)或多個(gè)控制措施。盡管已經(jīng)對執(zhí)行本發(fā)明的較佳模式進(jìn)行了詳盡的描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可得知在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的用來實(shí)施本發(fā)明的許多替換設(shè)計(jì)和實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種車輛，其包括 內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，包括排氣口 ；氧化催化器，經(jīng)由排氣口與所述發(fā)動(dòng)機(jī)流體連通，且適于經(jīng)由排氣口接收來自所述發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流；微粒過濾器，與所述氧化催化器的出口側(cè)流體連通，其中，所述微粒過濾器能使用來自所述氧化催化器的熱量而再生；和主機(jī)，能操作為計(jì)算所述微粒過濾器下游的所述排氣流內(nèi)的實(shí)際碳?xì)浠衔锼揭宰鳛樗鲅趸呋鞯膶?shí)際能量輸入值和實(shí)際輸出值的函數(shù)，以及能操作為隨后使用所述實(shí)際碳?xì)浠衔锼絹韺?shí)施控制措施。
2.如權(quán)利要求1所述的車輛，其中，所述主機(jī)能操作為用來計(jì)算進(jìn)入所述氧化催化器的實(shí)際能量輸入值，作為所述燃料的流量和能量含量的函數(shù)； 來自所述氧化催化器輸出的實(shí)際能量輸出值，作為所述氧化催化器的出口溫度、所述排氣流的比熱值和所述排氣流的質(zhì)量流量的函數(shù)；和所述氧化催化器的實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率，作為所述實(shí)際能量輸入值和所述實(shí)際能量輸出值的比。
3.如權(quán)利要求2所述的車輛，其中，所述主機(jī)使用溫度模型確定所述比熱值。
4.如權(quán)利要求2所述的車輛，還包括燃料注入設(shè)備，該設(shè)備適于選擇性地將燃料注入到所述氧化催化器中，以提升其中的再生溫度，所述控制措施包括對所述燃料注入設(shè)備的運(yùn)行啟用反饋控制。
5.如權(quán)利要求1所述的車輛，還包括多個(gè)用來在所述車輛內(nèi)不同位置測量所述排氣流的溫度的溫度傳感器，其中，所述主機(jī)使用來自所述多個(gè)溫度傳感器的溫度值來計(jì)算所述實(shí)際能量輸入值和所述實(shí)際能量輸出值。
6.如權(quán)利要求1所述的車輛，其中，所述主機(jī)將所述實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)校準(zhǔn)的閾值進(jìn)行比較，并產(chǎn)生診斷代碼以作為所述控制措施的至少一部分，所述診斷碼代的值對應(yīng)于所述實(shí)際轉(zhuǎn)換效率的值。
7.—種用在車輛上的方法，該車輛包括內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口流體連通的氧化催化器系統(tǒng)，所述氧化催化器系統(tǒng)包括接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口的排氣流的氧化催化器、 能使用來自所述氧化催化器的熱量而再生的微粒過濾器、和主機(jī)，所述方法包括使用主機(jī)計(jì)算所述微粒過濾器下游的所述排氣流內(nèi)的實(shí)際碳?xì)浠衔锼?，包括求解所述氧化催化器的?shí)際能量輸入值和實(shí)際能量輸出值的函數(shù)；和使用所述實(shí)際碳?xì)浠衔锼浇?jīng)由所述主機(jī)在所述車輛上實(shí)施控制措施。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其還包括將所述實(shí)際碳?xì)浠衔锼脚c閾值進(jìn)行比較；和當(dāng)所述碳?xì)浠衔锼匠^所述閾值時(shí)以一種方式實(shí)施所述控制措施。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其還包括計(jì)算進(jìn)入所述氧化催化器的實(shí)際能量輸入值，作為燃料的流量和能量含量的函數(shù)； 計(jì)算來自所述氧化催化器的實(shí)際能量輸出值，作為所述氧化催化器的出口溫度、所述排氣流的比熱值和所述排氣流的質(zhì)量流量的函數(shù)；和計(jì)算所述氧化催化器的實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率，作為所述實(shí)際能量輸入值和所述實(shí)際能量輸出值的比。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述車輛包括適于選擇性地在所述氧化催化器中注入燃料的燃料注入設(shè)備，所述方法還包括對所述燃料注入設(shè)備的運(yùn)行啟用反饋控制，作為所述控制措施的至少一部分。
全文摘要
一種車輛，包括燃料箱、內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、氧化催化器、和所述氧化催化器的出口側(cè)流體連通的可再生微粒過濾器、以及主機(jī)。所述主機(jī)計(jì)算所述微粒過濾器下游的所述排氣流內(nèi)的實(shí)際碳?xì)浠衔锼揭宰鳛樗鲅趸呋鞯膶?shí)際能量輸入值和實(shí)際輸出值的函數(shù)，以及能操作為隨后使用所述實(shí)際碳?xì)浠衔锼絹韺?shí)施控制措施。一種在車輛上使用的方法，其包括使用主機(jī)計(jì)算微粒過濾器下游的排氣流內(nèi)的實(shí)際碳?xì)浠衔锼剑@包括求解氧化催化器的實(shí)際能量輸入值和實(shí)際能量輸出值的函數(shù)和使用實(shí)際碳?xì)浠衔锼浇?jīng)由主機(jī)在車輛上實(shí)施控制措施。
文檔編號F01N9/00GK102374000SQ20111022645
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者J.D.馬林斯, P.巴拉薩, S.A.道格拉斯 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司